KR100491934B1 - Particle tolerant printhead - Google Patents
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Abstract
잉크젯 프린트헤드의 배리어 층(213) 재료의 섬(301)은, 잉크 공급원과, 잉크 발사 챔버로 통하는 잉크 공급 채널 사이에 배치되어 잉크내의 미립자를 필터링한다. 잉크 공급 채널 및 잉크 분사 오리피스의 치수는 크기가 감소되고, 배리어 층의 두께가 보다 얇게 제조되어 있다. 필터 세공의 공칭 크기는 배리어 층 두께보다 작은 반면, 잉크 공급 채널의 폭 및 오리피스의 구경은 배리어 층 두께보다 크다.An island 301 of material of the barrier layer 213 of the inkjet printhead is disposed between the ink supply and the ink supply channel leading to the ink firing chamber to filter particulates in the ink. The dimensions of the ink supply channel and ink ejection orifice are reduced in size, and the thickness of the barrier layer is made thinner. The nominal size of the filter pores is smaller than the barrier layer thickness, while the width of the ink supply channel and the aperture of the orifice are greater than the barrier layer thickness.
Description
본 발명은 통상적으로 잉크젯 프린터용 프린트헤드에 관한 것으로, 특히 작은 크기의 미립자 허용 잉크 공급 필터(a particle tolerant ink feed filter of small dimensions)를 적용하여 고속의 잉크 충전을 유지하는 동안 미립자 폐색을 감소시키는 프린트헤드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates generally to printheads for inkjet printers, in particular by applying a particle tolerant ink feed filter of small dimensions to reduce particulate blockage while maintaining high ink fill rates. Pertaining to a printhead.
잉크젯 프린터는, 마크(marks) 또는 프린팅이 배치될 매체에 근접하여 유지되는 표면의 복수의 작은 오리피스를 통해 미소량의 잉크를 분출함으로써 작동한다. 이러한 오리피스는, 매체의 특정 위치에 대해 선택된 수의 오리피스로부터 잉크 방울(drop)을 분출하여 소망의 문자 또는 이미지의 일부를 형성하도록 표면내에 소정 형태로 배열된다. 오리피스 지지 표면 또는 매체의 제어된 재배치후 다른 잉크 방울을 분출함으로써 소망의 문자 또는 이미지의 보다 많은 세그먼트를 생성한다. 또한, 다양한 칼라의 잉크가 각각의 오리피스 배열에 결합됨으로써 오리피스의 선택된 발사가 잉크젯 프린터에 의해 다중칼라 이미지를 형성할 수 있다.Inkjet printers operate by ejecting a small amount of ink through a plurality of small orifices on a surface held in close proximity to the media on which marks or printing are to be placed. These orifices are arranged in a predetermined form within the surface to eject ink drops from a selected number of orifices for a particular location of the media to form part of the desired character or image. Ejecting other ink droplets after controlled repositioning of the orifice support surface or media creates more segments of the desired text or image. In addition, various colors of ink are coupled to each orifice arrangement such that selected firing of the orifices can form a multicolor image by an inkjet printer.
열 기구, 압전 기구 및 정전기 기구 등의 몇몇 기구가 프린트헤드로부터 잉크 방울을 분출하는데 필요한 힘을 발생하는데 사용되어 왔다. 다음의 설명이 열 잉크 분출 기구를 참조하여 이루어지지만, 본 발명은 또한 다른 잉크 분출 기구에도 적용될 수 있다.Several instruments, such as thermal instruments, piezoelectric instruments, and electrostatic instruments, have been used to generate the force required to eject ink droplets from the printhead. Although the following description is made with reference to a thermal ink ejection mechanism, the present invention can also be applied to other ink ejection mechanisms.
종래의 열 잉크젯 프린터에서의 잉크 방울 분출은, 잉크 용매의 끓는점을 초과하는 온도로 잉크를 급속히 가열하여 증기상(vapor phase)의 잉크 기포를 생성함으로써 이루어진다. 일반적으로, 잉크의 급속한 가열은, 통상적으로 1마이크로초 내지 3마이크로초(microseconds)동안, 개별적으로 다루어질 수 있는(addressable) 히터 저항기인 잉크 이젝터를 통해 전류의 펄스를 통과시킴으로써 달성되며, 이렇게 발생된 열은 보통 발사 챔버(firing chamber)로 지칭되는 밀폐된 영역내에 유지되는 미소량의 잉크에 전달된다. 발사 챔버의 밀폐 벽중 하나는 복수의 오리피스에 의해 관통된 표면에 의해 형성된다. 이러한 오리피스 판내의 오리피스중 하나는, 잉크가 오리피스로부터 분출될 수 있도록 히터 저항기에 대해서 배열된다. 잉크 증기 기포가 히터 저항기에서 생성하여 팽창할 때, 소정 양의 잉크를 이동시켜 동일한 양의 잉크가 오리피스를 빠져나가게 하여 매체상에 부착시킨다. 다음에, 기포가 붕괴하며, 배출된 양의 잉크는 발사 챔버의 벽중 하나에 있는 잉크 공급 채널을 통해 대형 잉크 저장소로부터 보충된다.Ink droplet ejection in a conventional thermal inkjet printer is achieved by rapidly heating the ink to a temperature above the boiling point of the ink solvent to produce vapor phase ink bubbles. In general, rapid heating of the ink is achieved by passing a pulse of current through the ink ejector, which is an addressable heater resistor, typically for 1 microsecond to 3 microseconds, and so occurs. The heat is transferred to a small amount of ink that is maintained in a closed area, commonly referred to as a firing chamber. One of the hermetic walls of the firing chamber is formed by a surface pierced by a plurality of orifices. One of the orifices in this orifice plate is arranged relative to the heater resistor so that ink can be ejected from the orifice. When ink vapor bubbles are generated and expand in the heater resistor, a predetermined amount of ink is moved to cause the same amount of ink to exit the orifice and adhere on the medium. The bubble then collapses and the discharged amount of ink is replenished from the large ink reservoir through an ink supply channel in one of the walls of the firing chamber.
가능한 한 빠르게 챔버에 잉크를 재충전하는 것이 바람직하며, 그에 의해 프린트헤드의 오리피스의 매우 신속한 발사를 가능하게 한다. 오리피스의 신속한 발사는 잉크젯 프린터의 고속 인쇄를 달성하는 능력으로 귀결된다. 히터 저항기의 다음 발사 전에, 잉크 방울의 크기에서 바람직하지 않은 변화가 발생하지 않도록 잉크는 챔버를 보충하기에 충분한 시간을 가져야만 한다. 따라서, 인쇄 속도의 하나의 제한은, 발사 챔버가 재충전되는 속도에 관련된다.It is desirable to refill the ink as quickly as possible, thereby allowing a very rapid launch of the orifice of the printhead. Rapid launch of the orifice results in the ability to achieve high speed printing of the inkjet printer. Prior to the next firing of the heater resistor, the ink must have enough time to replenish the chamber so that no undesirable changes in the size of the ink drop occur. Thus, one limitation of the printing speed is related to the speed at which the firing chamber is refilled.
잉크젯 프린트헤드내에 때때로 나타나는 문제는, 잉크 공급 채널 또는 프린트헤드의 오리피스내에 발생되는 폐색(blockage)이다. 미립자가 잉크 발사 챔버로 통하는 채널을 막히게 할 수 있어 히터 저항기의 조기 고장, 잉크 방울의 오지향(misdirection), 또는 크게 감소된 잉크 방울 크기에 의해 유발되는 발사 챔버로의 잉크 공급의 감소를 야기할 수 있다. 잉크 방울을 발사하라고 지시받았을 때 잉크 방울을 발사하지 않는 단일의 오리피스는 프린트된 문자에 누락 부분(missing portion)을 남기거나 또는 프린트된 이미지에 누락 방울의 밴드를 형성한다. 최종적인 결과는 인쇄물의 불량한 품질, 즉 잉크젯 프린터에 대한 매우 바람직하지 않은 특성으로 인식된다. 이러한 바람직하지 않은 결과를 해결하기 위해서, 결함있는 잉크 이젝터 대신에 예비 또는 여분의 잉크 분출 오리피스를 사용하는 것(예컨대, 미국 특허 제 4,963,882 호 및 제 5,640,183 호 참조) 또는 잉크 발사 챔버에 대한 다중 입구를 사용하는 것이 제안되어 있다.A problem that sometimes appears in inkjet printheads is blockage that occurs in the ink supply channels or orifices of the printheads. Particulates can clog the channels leading to the ink firing chamber, which can lead to premature failure of the heater resistor, misdirection of the droplets, or a reduction in ink supply to the firing chamber caused by a significantly reduced ink droplet size. have. A single orifice that does not fire ink drops when instructed to fire ink drops leaves a missing portion in the printed text or forms a band of missing drops in the printed image. The end result is perceived as the poor quality of the print, i.e. a very undesirable characteristic for an inkjet printer. To address this undesirable result, use of spare or redundant ink ejection orifices in place of defective ink ejectors (see, eg, US Pat. Nos. 4,963,882 and 5,640,183) or multiple inlets to the ink firing chamber It is proposed to use.
잉크젯 인쇄용 잉크는 통상적으로 프린트헤드 장치와 결합된 저장소내에 저장된다. 다공성 폼 재료(porous foam material) 또는 밀봉 용기와 같은, 잉크를 저장하기 위한 장치는, 잉크 공급 채널이나 분출 오리피스를 폐색시킬 수 있는 미립자를 발생하는 것으로 공지되어 있다. 미립자중 다수는 제조 공정의 바람직하지 않은 산물인 길다란 섬유상 미립자라는 것이 관찰되었다. 섬유상 미립자는 때때로 잉크 수용 장치로부터 떨어져, (미국 특허 제 4,771,295 호 및 제 5,025,271 호에 기술된 바와 같이) 잉크가 프린트헤드로 유입되기 전에 발생하는 특정 세정 처리 및 잉크 필터링에도 불구하고, 잉크에 의해 프린트헤드로 운반된다. 길다란 미립자의 필터링은 1995년 7월 11자로 티모디 웨버(Timothy Weber) 등 명의로 출원된 "미립자 허용 잉크젯 프린트헤드 구조(particle tolerant inkjet printhead architecture)"라는 명칭의 미국 특허 출원 제 08/500,796 호에 언급되어 있으며, 여기서 복수의 외부 배리어 섬이 길다란 미립자가 잉크 공급 채널 또는 잉크 발사 챔버에 도달하는 것을 방지한다. 잉크 필터링은 또한 미국 특허 제 5,463,413 호에 개시되어 있으며, 여기서 복수의 기둥이 잉크 저장소와 발사 챔버 사이에 배열되고, 각각의 기둥은 발사 챔버의 입구에 결합된다. 기둥은 시스템의 최소 치수 이하의 간격으로 이격되며, 공통의 잉크 공급원에 가능한 인접하게 배치됨으로써 미립자가 발사 챔버에 유입되는 것을 방지한다. 시스템의 최소 치수는 오리피스 구경(口徑)이거나 또는 잉크 공급원을 발사 챔버로 연결하는 통로의 폭이 되기 쉽다.Ink for inkjet printing is typically stored in a reservoir associated with a printhead device. Devices for storing ink, such as porous foam materials or sealed containers, are known to generate particulates that can occlude ink supply channels or jet orifices. Many of the microparticles were observed to be elongated fibrous microparticles, an undesirable product of the manufacturing process. Fibrous particulates are sometimes separated from the ink receiving device and printed by the ink, despite the specific cleaning treatment and ink filtering that occurs before the ink enters the printhead (as described in US Pat. Nos. 4,771,295 and 5,025,271). Is carried to the head. Filtering elongated particulates is described in US patent application Ser. No. 08 / 500,796, entitled "particle tolerant inkjet printhead architecture," filed July 11, 1995, under the name of Timothy Weber et al. It is mentioned, wherein the plurality of outer barrier islands prevent long particulates from reaching the ink supply channel or ink firing chamber. Ink filtering is also disclosed in US Pat. No. 5,463,413, wherein a plurality of pillars are arranged between the ink reservoir and the firing chamber, each pillar being coupled to the inlet of the firing chamber. The pillars are spaced at intervals below the minimum dimensions of the system and placed as close as possible to a common ink source to prevent particulates from entering the firing chamber. The minimum dimension of the system is likely to be the orifice aperture or the width of the passageway connecting the ink source to the firing chamber.
오리피스, 발사 챔버 및 잉크 공급 채널의 크기가 개선된 인쇄 특성을 제공하도록 감소되기 때문에, 그들의 작은 크기로 인해, 잉크 공급 채널을 통과하고 또한 종래 디자인의 오리피스로부터 분출되던 크기의 미립자가 프린트헤드를 막히게 할 수 있다. 20㎛보다 작은 치수를 갖는 오리피스 또는 잉크 공급 채널을 적용하는 디자인에 있어서, 피부 세포(skin cell)와 같은 미립자 및 오염물질은 잉크 공급 채널 또는 오리피스내에 정체할 수 있는 대상물이 될 수 있다. 더구나, 피부 및 다른 생물학적 세포와 같은 미립자가 강체가 아니기 때문에 변형되어 프린트헤드내의 최소 치수와 동일한 세공(細孔) 크기를 갖는 필터를 통과할 수 있다. 미립자를 제어 및 필터링하기 위한 종래의 시도는, 큰 미립자에는 매우 적합하지만 보다 작은 미립자에 의해 작은 통로가 막히는 문제를 해결하지 못한다.Because the sizes of the orifices, firing chambers and ink supply channels are reduced to provide improved printing properties, their small size causes particulates of the size that had passed through the ink supply channels and ejected from the orifices of conventional designs to block the printhead. can do. In designs applying orifices or ink supply channels having dimensions smaller than 20 μm, particulates and contaminants, such as skin cells, may be objects that can stagnate within the ink supply channels or orifices. Moreover, since particulates such as skin and other biological cells are not rigid, they can be deformed and passed through a filter with a pore size equal to the minimum dimension in the printhead. Conventional attempts to control and filter particulates are well suited for large particulates but do not solve the problem of small passages being blocked by smaller particulates.
적어도 하나의 발사 챔버로부터 잉크를 분사하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드는, 잉크 이젝터가 상부에 배치된 기판을 구비한다. 배리어 층은 기판의 적어도 일부분상에 배치되며, 제 1 치수의 두께를 갖고, 잉크 공급원으로부터 발사 챔버로 잉크를 공급하는 적어도 하나의 잉크 공급 채널을 갖는다. 잉크 공급 채널은, 배리어 층, 기판 및 오리피스 판의 길다란 분리부(elongated separation)에 의해 형성되는 벽을 갖는다. 길다란 분리부는 제 2 치수의 폭에 의해 규정된다. 배리어 층은 복수의 섬을 구비하며, 각각의 섬은 제 3 치수 이하의 간격으로 인접한 섬으로부터 이격되며, 잉크 공급원과 적어도 하나의 잉크 공급 채널 사이에 배치된다. 제 2 치수는 제 1 치수 이상이며, 제 3 치수는 제 1 치수보다 작다.An ink jet printer printhead that ejects ink from at least one firing chamber has a substrate having an ink ejector disposed thereon. The barrier layer is disposed on at least a portion of the substrate and has a thickness of the first dimension and has at least one ink supply channel for supplying ink from the ink source to the firing chamber. The ink supply channel has walls formed by elongated separation of the barrier layer, the substrate and the orifice plate. The long separation is defined by the width of the second dimension. The barrier layer has a plurality of islands, each island spaced from adjacent islands at intervals of a third dimension or less, disposed between the ink source and the at least one ink supply channel. The second dimension is at least the first dimension and the third dimension is smaller than the first dimension.
전형적인 잉크젯 카트리지가 도 1에 도시되어 있으며, 카트리지 본체부(101)는 잉크의 공급부를 내장하며, 잉크 도관을 통하여 프린트헤드(103)로 잉크를 보낸다. 프린트헤드의 외측 표면에 보이는 것은 복수의 오리피스(105)로서, 전기 접속부(107)와 관련 전도성 트레이스(traces)(도시하지 않음)를 통해 프린트헤드(103)에 전달되는 프린터(도시하지 않음)의 명령시에 이 오리피스를 통해 잉크가 선택적으로 분출된다. 잉크젯 프린트 카트리지의 일 실시예에 있어서, 프린트헤드는 반도체 기판으로 구성되며, 기판상 또는 기판내에 배치된 필름 히터 저항기(film heater resistors)와, 포토 규정성(photo definable) 배리어 및 접착제 층과, 유공성 오리피스 판(foraminous orifice plate)을 포함하며, 이 오리피스 판은 그것을 완전 관통하여 연장하는 복수의 오리피스(105)를 갖는다. 물리적 및 전기적 접속부가 빔 리드 본딩(beam lead bonding) 또는 유사한 반도체 기술에 의해 가요성 폴리머 테이프(109)에 형성되는데, 가요성 폴리머 테이프는 물리적 강도 및 유체 배제를 위한 에폭시형 재료에 의해 고정된다. 폴리머 테이프(109)는, 3M사에 의해 시판되는 Kapton(등록상표)이나, 개구 및 다른 소망하는 특성을 제공하도록 포토제거되거나(photoablated) 또는 화학적으로 에칭될 수 있는 유사한 재료로 형성될 수도 있다. 구리 또는 다른 전도성 트레이스는 테이프의 일측면상에 부착되거나 고정됨으로써, 전기적 상호접속부(107)가 프린터에 접촉되어 기판에 연결될 수 있다. 테이프는 통상적으로 도시된 바와 같이 프린트 카트리지의 에지 주위로 굽어져서 고정된다.A typical inkjet cartridge is shown in FIG. 1, with the cartridge body 101 having a supply of ink therein, which sends ink to the printhead 103 through an ink conduit. Shown on the outer surface of the printhead are a plurality of orifices 105, which of the printer (not shown) are communicated to the printhead 103 via electrical connections 107 and associated conductive traces (not shown). Ink is selectively ejected through this orifice upon command. In one embodiment of the inkjet print cartridge, the printhead consists of a semiconductor substrate, film heater resistors disposed on or within the substrate, a photo definable barrier and adhesive layer, and a porosity. An orifice plate, which has a plurality of orifices 105 extending through it completely. Physical and electrical connections are formed on the flexible polymer tape 109 by beam lead bonding or similar semiconductor technology, where the flexible polymer tape is secured by an epoxy-like material for physical strength and fluid exclusion. The polymer tape 109 may be formed from Kapton®, marketed by 3M, or a similar material that may be photoablated or chemically etched to provide openings and other desired properties. Copper or other conductive traces may be attached or secured on one side of the tape such that the electrical interconnect 107 contacts the printer and connects to the substrate. The tape is typically bent and fixed around the edge of the print cartridge as shown.
도 1에 도시된 A-A선을 따라 절취된 프린트헤드의 단면도가 도 2에 도시되어 있다. 카트리지(101)의 본체(201)의 일부가 도시되어 있는데, 이 경우 카트리지의 본체는 압력과 함께 접착제에 의해 프린트헤드에 고정된다. 바람직한 실시예에 있어서, 잉크는 공통의 잉크 플리넘(plenum)(205)에 의해 또한 프린트헤드 기판(207)내의 슬롯(206)을 통해 프린트헤드로 공급된다. (변형예로서, 잉크는 기판의 측면을 따라 공급될 수도 있다.) 히터 저항기 및 그와 관련된 오리피스는 통상적으로 잉크 플리넘으로부터 잉크의 입구에 인접한 거의 평행한 2개의 열로 배열된다. 대부분의 경우, 히터 저항기 및 오리피스는 각각의 열에서 엇갈리는 형태로 배열되며, 바람직한 실시예에서 히터 저항기는 도 2의 히터 저항기(209, 211)에 의해 예시되는 바와 같이 기판(207)의 슬롯(206)의 양측에 위치되어 있다.A cross-sectional view of the printhead cut along the line A-A shown in FIG. 1 is shown in FIG. A portion of the body 201 of the cartridge 101 is shown, in which case the body of the cartridge is secured to the printhead by an adhesive with pressure. In a preferred embodiment, ink is supplied to the printhead by a common ink plenum 205 and also through the slot 206 in the printhead substrate 207. (As a variant, the ink may be supplied along the side of the substrate.) The heater resistors and associated orifices are typically arranged in two substantially parallel rows adjacent the inlet of the ink from the ink plenum. In most cases, the heater resistors and orifices are arranged staggered in their respective rows, and in a preferred embodiment the heater resistors are slots 206 of the substrate 207 as illustrated by the heater resistors 209, 211 of FIG. 2. Are located on both sides.
오리피스 판(203)은, 오리피스 판내의 요구되는 형상과 상보적인 형상으로 적절한 치수 및 적절한 드래프트 각도를 갖는 페그(peg) 및 장벽(dike)을 구비한 맨드릴상에 니켈을 전착(electrodeposition)하는 것에 의해 형성됨으로써, 소정 시간의 경과 후 소정 두께의 니켈이 부착된다. 생성된 니켈 막은 냉각후에 제거되며, 그 다음의 사용을 위해 기계적으로 평탄화 처리된다. 니켈 오리피스 판은 금, 팔라듐(paladium) 또는 로듐(rhodium) 등의 귀금속으로 얇게 코팅되어 부식을 방지한다. 이러한 제조에 이어서, 오리피스 판은 배리어 층(213)에 의해 반도체 기판(207)에 부착된다. 맨드릴상에서의 전착에 의해 형성된 오리피스는, 오리피스 판(109)의 외부 표면으로부터 내부 표면으로 관통 연장되며, 그 표면은 잉크 발사 챔버의 벽중 하나를 형성한다. 통상적으로, 오리피스는 히터 저항기 바로 위에 정렬됨으로써, 잉크가 오프셋에 의해 도입되는 궤도 오차(trajectory error)없이 오리피스로부터 분출될 수 있다.The orifice plate 203 is formed by electrodepositioning nickel on a mandrel having a peg and a barrier having a suitable dimension and an appropriate draft angle in a shape complementary to the desired shape in the orifice plate. By being formed, nickel of predetermined thickness adheres after the predetermined time passes. The resulting nickel film is removed after cooling and mechanically planarized for subsequent use. Nickel orifice plates are thinly coated with precious metals such as gold, palladium or rhodium to prevent corrosion. Following this fabrication, the orifice plate is attached to the semiconductor substrate 207 by the barrier layer 213. The orifice formed by electrodeposition on the mandrel extends through from the outer surface of the orifice plate 109 to the inner surface, which surface forms one of the walls of the ink firing chamber. Typically, the orifice is aligned directly above the heater resistor so that ink can be ejected from the orifice without the trajectory error introduced by the offset.
기판(207) 및 오리피스 판(109)은 배리어 층 재료(213)에 의해 서로 부착된다. 바람직한 실시예에 있어서, 배리어 층 재료(213)는 발사 챔버(215, 217)가 히터 저항기 주위의 영역내에 형성되는 패턴 형식으로 기판(207)상에 배치된다. 또한, 배리어 층 재료는, 잉크가 하나 또는 그 이상의 잉크 공급 채널에 의해 발사 챔버에 독립적으로 공급되도록 패턴화된다. 잉크 방울(219)은 프린터의 명령에 따라 히터 저항기의 신속한 가열에 의해 선택적으로 분사된다. 하나의 표면에 부착된 배리어 층을 갖는 기판은 오리피스가 기판의 히터 저항기와 정확하게 정렬되도록 오리피스 판에 대해 위치되어 있다.Substrate 207 and orifice plate 109 are attached to each other by barrier layer material 213. In a preferred embodiment, barrier layer material 213 is disposed on substrate 207 in a pattern form in which firing chambers 215 and 217 are formed in the area around the heater resistor. In addition, the barrier layer material is patterned such that ink is independently supplied to the firing chamber by one or more ink supply channels. Ink droplets 219 are selectively ejected by rapid heating of the heater resistor in accordance with the command of the printer. The substrate with the barrier layer attached to one surface is positioned relative to the orifice plate such that the orifice is exactly aligned with the heater resistor of the substrate.
바람직한 실시예에 있어서, 배리어 층(213)은, Parad(등록상표), Vacrel(등록상표), IJ5000(등록상표), 또는 빛이나 유사한 전자기 복사에 대한 노출에 의해 중합되는 필름 네가티브형 감광성, 다성분, 중합체 건조 막(negative photosensitive, multi-component, polymeric dry film)인 다른 재료와 같은 중합체 포토 규정성(photodefinable) 재료를 이용한다. 이러한 종류의 재료는 미국 델러웨어주 윌밍톤 소재의 듀퐁(DuPont)사로부터 입수가능하다. 배리어 층은 우선 선택된 특정 재료에 적절한 충분한 압력 및 열을 인가함으로써 기판(207)상에 연속적인 층으로서 도포된다. 일반적으로, 배리어 층 막은 마일라(mylar)의 보호 시트 사이에 개재된다. 하나의 시트는 기판에 배리어 층을 적층할 수 있도록 제거된다. 다른 마일라 시트는 배리어 층이 노출될 때까지 적소에 남겨진다. 사진석판(photolithographic) 층은 네가티브형 마스크를 통해 자외선 빛(바람직하게는, 440nm 내지 340nm의 파장 범위)에 노출되어 배리어 층 재료를 중합시킨다. 노출된 배리어 층은 N-메틸(methyl)-2-피롤리돈(pyrrolidone)과 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol)의 74 중량% : 26 중량% 혼합물의 현상 용매(developer solvent)를 사용하는 화학적 세정을 받게 되어 배리어 층의 노출되지 않은 영역이 화학적 작용에 의해 제거된다. 배리어 층의 나머지 영역은 각각의 히터 저항기 둘레에 각각의 잉크 발사 챔버의 벽을 형성한다. 또한, 배리어 층의 나머지 영역은 잉크 발사 챔버로부터 [도 2에 도시된 바와 같은 슬롯을 경유하는 잉크 플리넘(205)과 같은] 잉크 공급원으로 통하는 잉크 공급 채널의 벽을 형성한다. 이러한 잉크 공급 채널은 잉크 발사 챔버에 잉크를 초기 충전하는 것을 가능하게 하며, 챔버로부터의 각각의 잉크 분출 후에 발사 챔버의 연속적인 재충전을 제공한다. 잉크가 잉크 발사 챔버로 유입 및 충전되는 속도는 프린터가 인쇄할 수 있는 최고 속도를 결정하는데 중요한 인자이다. 바람직한 실시예에 있어서, 2개의 잉크 공급 채널이 배리어 층내에 형성되어 잉크 플리넘과 잉크 발사 챔버를 연결함으로써, 챔버로의 충분한 잉크 공급이 유지되며, 잉크 기포 기화 동안에 생성된 에너지의 상당 부분이 잉크 공급 채널로부터 손실됨 없이 고속의 재충전이 실현될 수 있다.In a preferred embodiment, the barrier layer 213 is a film negative photosensitive, polymerized by exposure to Parad®, Vacrel®, IJ5000®, or light or similar electromagnetic radiation. Polymeric photodefinable materials are used, such as other materials that are components, negative photosensitive, multi-component, polymeric dry films. This kind of material is available from DuPont, Wilmington, Delaware. The barrier layer is first applied as a continuous layer on the substrate 207 by applying adequate pressure and heat appropriate to the particular material selected. In general, the barrier layer film is sandwiched between mylar protective sheets. One sheet is removed to allow lamination of the barrier layer to the substrate. The other mylar sheet is left in place until the barrier layer is exposed. The photolithographic layer is exposed to ultraviolet light (preferably in the wavelength range of 440 nm to 340 nm) through a negative mask to polymerize the barrier layer material. The exposed barrier layer is subjected to chemical cleaning using a developer solvent of a 74 wt%: 26 wt% mixture of N-methyl-2-pyrrolidone and diethylene glycol. And the unexposed areas of the barrier layer are removed by chemical action. The remaining area of the barrier layer forms a wall of each ink firing chamber around each heater resistor. In addition, the remaining area of the barrier layer forms a wall of the ink supply channel from the ink firing chamber to an ink source (such as ink plenum 205 via a slot as shown in FIG. 2). This ink supply channel makes it possible to initially fill the ink firing chamber with ink and provide continuous refilling of the firing chamber after each ink ejection from the chamber. The speed at which ink enters and fills the ink firing chamber is an important factor in determining the highest speed a printer can print. In a preferred embodiment, two ink supply channels are formed in the barrier layer to connect the ink plenum and ink firing chamber, so that sufficient ink supply to the chamber is maintained and a significant portion of the energy generated during ink bubble vaporization Fast recharging can be realized without being lost from the supply channel.
배리어 층에 대한 오리피스 판의 적층은, 바람직한 실시예에서 15분까지의 시간 동안 가열(약 200℃) 및 압력(50psi 내지 250psi)을 가함으로써 수행된다. 1996년 10월 1일자로 개롤드 래드커(Garold Radke) 등에 의해 출원된 미국 특허 출원 제 08/742,118 호에 개시된 바와 같은 접착 촉진제가, 오리피스 판과 배리어 층 사이의 접착을 향상시키도록 이용될 수도 있다. 중합체의 최종 셋업과 본드의 경화는 약 30분 동안 약 220℃에서 열 소킹(soaking)함으로써 달성된다.Lamination of the orifice plate to the barrier layer is performed in a preferred embodiment by applying heating (about 200 ° C.) and pressure (50 psi to 250 psi) for a time up to 15 minutes. An adhesion promoter, such as disclosed in US Patent Application No. 08 / 742,118, filed by Garold Radke et al. On October 1, 1996, may be used to improve the adhesion between the orifice plate and the barrier layer. have. Final set up of the polymer and curing of the bond is achieved by heat soaking at about 220 ° C. for about 30 minutes.
하나의 추가의 특징이 바람직한 실시예의 배리어 층내에 형성된다. 각각의 잉크 공급 채널에 대한 입구에, 도 3의 기판(오리피스 판이 제거됨)의 표면의 사시도에 도시된 바와 같은 복수의 배리어 층 섬(301)이 배치되어 있다. 각각의 배리어 섬은 배리어 재료로 이루어지며, 기판(207)으로부터 오리피스 판까지의 배리어 층(213)의 전체 두께를 연장한다. 오리피스 판이나 기판으로부터 섬의 층상박리를 방지하기 위하여, 각각의 배리어 섬은 각각의 표면에 약 200㎛2의 접착 영역을 제공한다. 이러한 배리어 섬의 주목적은 잉크로부터의 미립자 및 오염물질이 잉크 공급 채널 및 각각의 발사 챔버의 오리피스에 도달하는 것을 방지하는 것이다. 이러한 필터는, 적절한 기능을 위하여, 각 섬 사이의 간격(S)(필터의 세공과 균등함)이 각각의 발사 챔버의 채널 폭(W)보다 작으며 오리피스의 구경보다 작을 것이 요구된다. 따라서, 잉크 공급 채널내 또는 오리피스내에 머무를 수 있는 모든 오염물질이 이러한 한계 영역으로부터 차단된다. 다수의 섬(및 이들 사이의 공간)의 결과로서, 섬 사이의 공간중 어느 하나의 폐색은 각각의 잉크 공급 채널로의 잉크의 유동을 심각하게 방해하지 않으며, 잉크 발사 챔버의 폐색 가능성이 상당히 감소되는 필터이다. 다양한 간격 치수(S=10㎛, 12㎛ 및 14㎛)로 실험한 결과, 고속의 잉크 발사 챔버 재충전시 프린트헤드의 성능이 이러한 치수의 범위에 의해 영향을 받지 않는다는 것이 증명되었다.One further feature is formed in the barrier layer of the preferred embodiment. At the inlet to each ink supply channel, a plurality of barrier layer islands 301 are arranged, as shown in a perspective view of the surface of the substrate (orifice plate removed) of FIG. 3. Each barrier island is made of a barrier material and extends the overall thickness of the barrier layer 213 from the substrate 207 to the orifice plate. In order to prevent delamination of the islands from the orifice plate or substrate, each barrier island provides an adhesive area of about 200 μm 2 on each surface. The main purpose of such barrier islands is to prevent particulates and contaminants from the ink from reaching the ink supply channel and orifice of each firing chamber. Such filters require that, for proper function, the spacing S between each island (equivalent to the pore of the filter) is less than the channel width W of each firing chamber and less than the aperture of the orifice. Therefore, all contaminants that can stay in the ink supply channel or in the orifice are blocked from this limit area. As a result of multiple islands (and the spaces between them), the occlusion of any of the spaces between the islands does not seriously impede the flow of ink to each ink supply channel, and the likelihood of clogging of the ink firing chamber is significantly reduced. Is a filter. Experiments with various spacing dimensions (S = 10 [mu] m, 12 [mu] m and 14 [mu] m) have demonstrated that the performance of the printhead at high speed ink firing chamber refill is not affected by this range of dimensions.
바람직한 실시예에 있어서, 작은 잉크 방울을 사용함으로써 고품질의 잉크 인쇄를 행하기 위해 프린트헤드의 많은 요소의 치수는 공지된 디자인보다 상당히 작게 제조되어 있다. 잉크 방울의 공칭 중량은 18㎛(±2㎛)의 구경을 갖는 오리피스로부터의 분사에 대해 약 10ng이다. 15K㎐의 작동 주파수를 지원하는 잉크 발사 챔버 재충전 속도를 달성하기 위하여, 2개의 오프셋 잉크 공급 채널(303, 305)이 풍부한 잉크 재충전 능력을 제공하는데 이용된다. 각각의 잉크 공급 채널은 17㎛(±2㎛)의 채널 폭(W)과 약 30㎛의 채널 길이를 갖는다. 이러한 치수의 채널과 오리피스는, 사람 피부 세포 크기의 미립자가 잉크 공급 채널 또는 오리피스를 폐색시킬 수 있다는 점에서 이전에 행해졌던 것보다 오염물질의 필터링에 대해 보다 큰 도전을 제공한다. 이러한 크기의 미립자가 강체가 아닌 일부 생물학적 세포를 포함하기 때문에, 필터 세공의 크기는 폐색할 가능성이 있는 미립자를 포획하도록 프린트헤드의 가장 작은 작동 치수보다 작아야 한다. 특별한 적용에 따라, 가장 작은 작동 치수는 17㎛(±2㎛)의 잉크 공급 채널 폭(W) 또는 약 18㎛의 오리피스 구경이다. 바람직한 실시예에 있어서, 각각의 섬 사이의 간격(S)은 12㎛(±0.5㎛)이다. 배리어 층의 두께는 14㎛(±1.5㎛)이다.In a preferred embodiment, the dimensions of many elements of the printhead are made significantly smaller than known designs in order to achieve high quality ink printing by using small ink droplets. The nominal weight of the ink drops is about 10 ng for injection from an orifice having an aperture of 18 μm (± 2 μm). In order to achieve an ink firing chamber refill rate that supports an operating frequency of 15 KHz, two offset ink supply channels 303, 305 are used to provide rich ink refill capability. Each ink supply channel has a channel width W of 17 μm (± 2 μm) and a channel length of about 30 μm. These dimensions of channels and orifices present a greater challenge to the filtering of contaminants than has been done previously in that particulates of human skin cell size may occlude the ink supply channels or orifices. Since particulates of this size contain some biological cells that are not rigid, the size of the filter pores should be smaller than the smallest operating dimension of the printhead to capture particulates that are likely to be occluded. Depending on the particular application, the smallest working dimension is an ink supply channel width W of 17 μm (± 2 μm) or an orifice aperture of about 18 μm. In a preferred embodiment, the spacing S between each island is 12 μm (± 0.5 μm). The thickness of the barrier layer is 14 μm (± 1.5 μm).
네가티브형 포토레지스트는 주로 재료 포토 현상 처리(material photo development process) 동안의 팽윤으로 인한 분해 제한을 위한 것으로 공지되어 있다. 배리어 층내에 형성된 모든 형상, 또는 이러한 형상 사이의 공간이 배리어 층의 두께 치수를 초과하는 치수를 가져야 한다고 알려져 있다. 웨이스(weiss)의 "포토레지스트 기술 업데이트(photoresist technology update)"(Semiconductor International, 1983년 4월)를 참조하면, 네가티브형 포토레지스트 재료는 층 두께 대 형상 치수가 1:2 또는 1:3으로 제한되지만, 포지티브형 레지스트는 층 두께 대 형상 치수의 비가 1:1이 가능하다고 언급하고 있다. 소망하는 잉크 공급 채널의 단면도의 예가 도 4a에 도시되어 있다. 기판(207)은 그 표면상에 배치된 배리어 층(213)을 갖는다. 오리피스 판(109)은 배리어 층(213)에 고정된다. 배리어 층은 포토규정되어(photodefined) 배리어 층내로 현상되는 채널(401)을 구비하여, 잉크 공급 채널은 기판, 배리어 층 및 오리피스 판의 협착에 의해 형성된다. 채널의 폭 치수가 배리어 층의 두께 치수보다 작은 경우, 불완전한 현상(development)이 발생하며, 배리어 층의 브리지(403)가 도 4b에 도시된 바와 같이 협소한 채널을 가로질러 남게 된다. 이 브리지는 채널을 폐색시키며, 잉크 발사 챔버로의 잉크 유동량을 감소시킨다.Negative photoresists are known primarily for limiting degradation due to swelling during the material photo development process. It is known that all shapes formed in the barrier layer, or the spaces between these shapes, should have dimensions that exceed the thickness dimension of the barrier layer. Referring to Weiss' "photoresist technology update" (Semiconductor International, April 1983), negative photoresist materials are limited to 1: 2 or 1: 3 layer thickness vs. geometric dimensions. However, positive type resists mention that a ratio of layer thickness to shape dimension can be 1: 1. An example of a cross sectional view of a desired ink supply channel is shown in FIG. 4A. The substrate 207 has a barrier layer 213 disposed on its surface. Orifice plate 109 is secured to barrier layer 213. The barrier layer has a channel 401 that is photodefined and developed into the barrier layer, so that the ink supply channel is formed by the narrowing of the substrate, barrier layer and orifice plate. If the width dimension of the channel is smaller than the thickness dimension of the barrier layer, an incomplete development occurs, and the bridge layer 403 of the barrier layer remains across the narrow channel as shown in FIG. 4B. This bridge closes the channel and reduces the flow of ink into the ink firing chamber.
노출 동안 용존 산소의 고갈이 큰 형상부 사이에 형성될 수 있는 채널 폭을 제한한다는 것이 측정되었다. 소정의 배리어 두께, 노출량, 1회 노출율, 온도 및 배리어 표면에서의 산소 이용도 때문에, 산소 확산이 한정된 거리로 제한된다고 생각된다. 채널이 이러한 거리내에 형성되도록 배리어 두꺼운 경우, 종횡비를 제한함에 있어서 산소 확산 근접 효과(oxygen diffusion proximity effect)가 팽윤(swelling)보다 중요하게 된다.It has been measured that depletion of dissolved oxygen during exposure limits the channel width that can form between large features. It is believed that oxygen diffusion is limited to a limited distance because of the predetermined barrier thickness, exposure amount, single exposure rate, temperature, and oxygen utilization at the barrier surface. When the barrier is thick enough to form channels within this distance, the oxygen diffusion proximity effect becomes more important than swelling in limiting the aspect ratio.
배리어 층 재료의 영역이 이온화 방사에 노출될 때, 과산화기(peroxy radicals)와 같은 유리기(free radicals)를 형성하는 화학적 반응이 배리어 막내에서 유도된다. 이러한 유리기는 결합되어 가교결합 반응을 형성하는데 이러한 가교결합 반응은 노출된 영역에 현상 용매에 대한 면역성을 부여하여 소망하는 이미지를 규정한다. 그러나, 통상의 제조 환경에서, 공기로부터 2가의 산소(diatomic oxygen)가 배리어 층 막내의 다른 성분과 평형상태로 된다. 가교결합 반응이 계속해서 일어나기 전에, 유리기에 훨씬 더 반응적인 산소 분자가 먼저 소멸되어야 한다. 바로 이용가능한 산소와의 반응에 요구되는 방사의 양이 초과되면, 추가 방사가 재료를 가교결합시킨다.When a region of the barrier layer material is exposed to ionizing radiation, a chemical reaction is formed in the barrier film that forms free radicals, such as peroxy radicals. These free groups combine to form a crosslinking reaction, which imparts immunity to the developing solvent in the exposed areas to define the desired image. However, in a typical manufacturing environment, diatomic oxygen from air is in equilibrium with other components in the barrier layer film. Before the crosslinking reaction continues, the much more reactive oxygen molecules must first disappear. If the amount of radiation required for reaction with readily available oxygen is exceeded, additional radiation crosslinks the material.
"불완전한 현상"[또는 "브리징(bridging)"]을 일으키는 근접 효과는 배리어의 노출된 영역과 노출되지 않은 영역 사이의 계면에서 발생하며, 노출된 측면은 산소 분자가 고갈되며, 노출되지 않은 측면은 여전히 평형 농도를 갖는다. 따라서, 배리어 층 막이 마일라(mylar) 커버 막에 의해 공기 내의 산소로부터 분리되기 때문에, 순간적인 농도 구배는 산소의 분포를 균일하게 하기 위하여 인접한 노출되지 않은 배리어로부터 노출된 영역내로 산소 분자를 이동시킨다. 노출되지 않은 채널로부터의 산소 이동은, 가교결합의 개시 전에 소멸될 산소 분자가 보다 적기 때문에, 배리어를 노출시키는데 요구되는 방사의 양을 낮추며, 이에 따라 마스킹된 채널이 마스킹되지 않은 영역으로부터 산란된 방사에 의해 바람직하지 않게 노출되게 한다. 따라서, 잉크젯 프린트헤드내에 있어서, 배리어 층 두께가 현상되는 형상부의 폭보다 크고, 형상부가 배리어 재료의 큰 체적에 근접하는 경우, 형상부의 브리징이 발생될 것으로 기대된다. 그러나, 형상부가 배리어 층 두께보다 작은 폭 치수를 갖지만 배리어 재료의 큰 체적으로부터 소정 거리에 있는 경우, 나머지 패턴을 규정하기 위해 사용된 노출 에너지에서 배리어 두께보다 작지만 배리어 층 두께의 0.6배 보다 큰 폭에 대해 브리징이 발생되지 않는다. 형상부의 거리는, 큰 체적의 노출된 재료의 실제 크기에 따라 배리어 층 두께의 2배 내지 5배 만큼 큰 체적의 노출된 재료로부터 분리되어야 한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 섬(301)은 10㎛(±0.25㎛)의 거리(D)만큼 가장 근접한 체적의 배리어 층으로부터 이격된다. 배리어 층 형상부에 대한 치수는, 포토레지스트 마스크(photo-resist mask)의 치수로 주어진다는 것을 주목하여야 한다. 배리어 층 벽들 사이의 간격과, 배리어 섬 간격(S) 및 잉크 공급 채널 폭(W)과 같은 간격은, 포토레지스트 마스크 치수보다 큰 1㎛ 내지 2㎛ 사이가 되리라 기대된다.Proximity effects causing "incomplete" (or "bridging") occur at the interface between the exposed and unexposed areas of the barrier, the exposed side depleting oxygen molecules and the unexposed side Still has equilibrium concentrations. Thus, because the barrier layer film is separated from the oxygen in the air by a mylar cover film, the instantaneous concentration gradients shift the oxygen molecules into the exposed areas from adjacent unexposed barriers to uniform the distribution of oxygen. . Oxygen migration from the unexposed channel lowers the amount of radiation required to expose the barrier, since fewer oxygen molecules are to be extinguished prior to the initiation of crosslinking, so that the masked channel is scattered from the unmasked region. Undesirably exposed. Therefore, in the inkjet printhead, when the barrier layer thickness is larger than the width of the feature to be developed, and the feature approaches the large volume of the barrier material, bridging of the feature is expected to occur. However, if the feature has a width dimension that is less than the barrier layer thickness but is at a distance from the large volume of the barrier material, it is less than the barrier thickness but greater than 0.6 times the barrier layer thickness at the exposure energy used to define the remaining pattern. No bridging occurs. The distance of the features must be separated from the volume of exposed material as large as two to five times the thickness of the barrier layer, depending on the actual size of the large volume of exposed material. Thus, in a preferred embodiment of the present invention, the islands 301 are spaced from the barrier layer of the nearest volume by a distance D of 10 μm (± 0.25 μm). It should be noted that the dimensions for the barrier layer features are given in the dimensions of the photo-resist mask. The spacing between the barrier layer walls and the spacing, such as barrier island spacing S and ink supply channel width W, are expected to be between 1 μm and 2 μm larger than the photoresist mask dimensions.
따라서, 잉크 공급부와 발사 챔버로의 잉크 공급 채널 사이에 있고 잉크 공급 채널의 폭 또는 오리피스 구경보다 작은 거리만큼 이격된 배리어 층의 섬을 설치함으로써, 잉크내의 오염물질에 의한 잉크 공급 채널 또는 오리피스 구멍의 폐색이 감소될 것이다. 섬 사이의 간격 치수가 배리어 층의 두께보다 작은 경우, 섬을 배리어 층 재료의 나머지로부터 이격시킴으로써 섬 사이의 브리징이 방지된다.Thus, by installing an island of the barrier layer between the ink supply and the ink supply channel to the firing chamber and spaced apart by a distance less than the width or orifice aperture of the ink supply channel, the ink supply channel or orifice hole by the contaminants in the ink Occlusion will be reduced. If the spacing dimension between islands is smaller than the thickness of the barrier layer, bridging between islands is prevented by separating the islands from the rest of the barrier layer material.
본 발명은 작은 크기의 미립자 허용 잉크 공급 필터를 이용하여 고속의 잉크 충전을 유지하는 동안 미립자 폐색을 감소시킬 수 있는 프린트헤드를 제공할 수 있다.The present invention can provide a printhead capable of reducing particulate blockage while maintaining a high speed ink filling by using a small sized particulate acceptable ink supply filter.
도 1은 잉크젯 프린터용 프린트헤드의 사시도,1 is a perspective view of a printhead for an inkjet printer,
도 2는 도 1의 잉크젯 프린트 카트리지내에 이용될 수 있는 프린트헤드의 단면도,2 is a cross-sectional view of a printhead that may be used in the inkjet print cartridge of FIG.
도 3은 본 발명을 이용할 수 있는 프린트헤드의 배리어 층 및 기판의 사시도,3 is a perspective view of a barrier layer and a substrate of a printhead in which the present invention may be used;
도 4a 및 도 4b는 배리어 층 브리징(bridging)의 효과를 나타내는 잉크 공급 채널의 단면도.4A and 4B are cross-sectional views of ink supply channels showing the effect of barrier layer bridging.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
101 : 카트리지 본체부 103 : 프린트헤드101: cartridge body portion 103: printhead
203 : 오리피스 판 207 : 기판203: orifice plate 207: substrate
213 : 배리어 층 301 : 섬213: barrier layer 301: island
303, 305 : 잉크 공급 채널 403 : 브리지303, 305: ink supply channel 403: bridge
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